(57)【要約】  本発明は粒子線治療装置において、照射野サイズが大きい場合でも粒子線の高速走査ができる粒子線照射システムを提供する。  粒子線を一方向に標的の最大幅まで移動可能とする最大偏向量を有する第一偏向装置（２１）と、粒子線（１）を上記一方向に偏向する最大偏向量が第一偏向装置（２１）の最大偏向量よりも少ない第二偏向装置（２２）とを備え、粒子線の移動時には第二偏向装置（２２）の偏向量を増加させて粒子線を移動させる制御を行い、粒子線の停留時には、第二偏向装置（２２）の偏向量を減少させるとともに、第一偏向装置（２１）の偏向量を変化させて、標的における粒子線の位置が停留するように、第二偏向装置（２２）の偏向を第一偏向装置（２１）の偏向に置換してゆく偏向置換制御を行うようにした。
2011058833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される粒子線を少なくとも一方向に移動と停留とを繰り返して走査して標的に上記粒子線を照射する粒子線照射システムにおいて、上記粒子線を上記一方向に上記標的の最大幅まで移動可能とする最大偏向量を有する第一偏向装置と、上記粒子線を上記一方向に偏向する最大偏向量が上記第一偏向装置の最大偏向量よりも少ない第二偏向装置と、上記第一偏向装置と上記第二偏向装置を制御する走査制御装置とを備え、
この走査制御装置は、上記粒子線の移動時には少なくとも上記第二偏向装置の偏向量を増加させて上記粒子線を移動させる制御を行い、
上記粒子線の停留時には、上記第二偏向装置の偏向量を減少させるとともに、上記第一偏向装置の偏向量を変化させて、上記標的における上記粒子線の位置が停留するように、上記第二偏向装置の偏向を上記第一偏向装置の偏向に置換してゆく偏向置換制御を行うことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項２】
走査制御装置は、粒子線の移動時に偏向量を増加させる第二偏向装置の偏向量変化速度が、上記粒子線の停留時に偏向量を変化させる第一偏向装置の偏向量変化速度よりも速くなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
【請求項３】
第一偏向装置は電磁石によって粒子線を偏向させることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線照射システム。
【請求項４】
第二偏向装置は電磁石によって粒子線を偏向させることを特徴とする請求項３に記載の粒子線照射システム。
【請求項５】
第二偏向装置は、電界によって粒子線を偏向させることを特徴とする請求項２に記載の粒子線照射システム。
【請求項６】
走査された粒子線の位置情報を得るビーム位置モニタを備え、粒子線の停留時に、上記ビーム位置モニタからの情報により、第二偏向装置の偏向量を減少させる制御にフィードバック制御を付加することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
【請求項７】
電磁石の励磁コイルとこの励磁コイルに電流を供給する第一電源とにより第一偏向装置を構成し、上記励磁コイルと上記励磁コイルに電流を供給する第二電源とにより第二偏向装置を構成したことを特徴とする請求項４に記載の粒子線照射システム。
【請求項８】
電磁石が同一の鉄心に第一励磁コイルと第二励磁コイルとを備え、上記第一励磁コイルと上記第一励磁コイルに電流を供給する第一電源とにより第一偏向装置を構成し、上記第二励磁コイルと上記第二励磁コイルに電流を供給する第二電源とにより第二偏向装置を構成したことを特徴とする請求項４に記載の粒子線照射システム。
【請求項９】
第二偏向装置は、粒子線進行の主方向を偏向して粒子線を標的に誘導するための偏向電磁石より上記粒子線の入射側に設置されたことを特徴とする請求項３に記載の粒子線照射システム。
【請求項１０】
粒子線照射システムは回転ガントリーの構成を有し、第二偏向装置は、上記回転ガントリーの最後の偏向電磁石より上記粒子線の入射側に設置されたことを特徴とする請求項３に記載の粒子線照射システム。
【請求項１１】
入射される粒子線を一方向に標的の最大幅まで移動可能となる最大偏向量を有する第一偏向装置と、上記粒子線を上記一方向に上記第一偏向装置の最大偏向量よりも最大偏向量が少ない第二偏向装置とにより、上記粒子線を上記一方向に移動と停留を繰り返して走査して標的に照射する粒子線照射方法であって、
上記粒子線の移動時には少なくとも上記第二偏向装置の偏向量を増加させて上記標的における上記粒子線を移動させ、
上記粒子線の停留時には、上記第二偏向装置の偏向量を減少させるとともに、上記第一偏向装置の偏向量を変化させて、上記第二偏向装置の偏向を上記第一偏向装置の偏向に徐々に置換することにより標的上での上記粒子線の位置を停留させることを特徴とする粒子線照射方法。
【請求項１２】
粒子線の移動時に偏向量を増加させる第二偏向装置の偏向量変化速度が、上記粒子線の停留時に偏向量を変化させる第一偏向装置の偏向量変化速度よりも速いことを特徴とする請求項１１に記載の粒子線照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線を腫瘍など患部に照射して治療を行う粒子線治療装置における、粒子線を患部３次元形状に合わせて照射するための粒子線照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線による治療法では、光速の約70%まで加速された陽子や炭素線など、高エネルギーの粒子線が用いられる。これらの高エネルギーの粒子線は体内に照射された際に、以下の特徴を有する。第一に、照射された粒子線の殆どが粒子線エネルギーの約1.7乗に比例した深さ位置に停止する。第二に、照射された粒子線が体内で停止するまでに通過する経路に与えるエネルギー密度（線量と呼ばれる）は粒子線の停止位置で最大値を有する。通過した経路に沿って形成した特有の深部線量分布曲線はブラッグカーブと呼ばれる。線量値が最大の位置はブラッグピークと呼ばれる。【０００３】
３次元の粒子線照射システムは、このブラッグピークの位置を腫瘍の３次元形状に合わせて走査し、各走査位置におけるピーク線量を調整しながら、予め画像診断で決めた標的である腫瘍領域において、所定の３次元線量分布を形成するように工夫されている。粒子線の停止位置の走査は粒子線の照射方向にほぼ垂直な横方向（Ｘ、Ｙ方向）と、粒子線の照射方向である深さ方向（Ｚ方向）における走査がある。横方向における走査は患者を粒子線に対して移動させる方法と、電磁石などを使って粒子線の位置を移動させる方法があり、一般的には電磁石を用いる方法が用いられている。深さ方向の走査は粒子線エネルギーを変えるのが唯一の方法である。エネルギーを変える方法には、加速器で粒子線エネルギーを変える方法と、粒子線が通過する経路にエネルギー減衰体を挿入して、減衰体の減衰量を変化させる方法がある。電磁石を用いてビーム位置を移動させる（スキャニングとも呼ぶ）方法は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１の図２示されたように、従来の粒子線治療装置の粒子線照射システムでは、ビームスポットの位置移動を行う手段として、粒子線をビーム進行方向（Ｚ軸方向）に垂直な方向であるＸ−Ｙ方向に偏向させるスキャニングマグネット（走査電磁石、偏向電磁石とも称する）を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2008-154627公報（段落「0024」および図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の図２に記載された粒子線照射システムでは、粒子線の走査速度を高速にする場合、走査電磁石Ｘと走査電磁石Ｙのインダクタンスと走査速度に比例して、大容量の走査電源が必要であった。そのため、粒子線照射システムの電源容量が、要求される照射野サイズ（照射標的サイズに比例）および要求される走査速度と共に増加してしまう。本発明の目的は、必要な照射野サイズが大きい場合でも、大容量の走査電源を用いることなく、高速に粒子線を走査でき、全体の照射時間が短い粒子線照射システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る粒子線照射システムは、入射される粒子線を一方向に移動と停留とを繰り返して走査して標的に上記粒子線を照射する粒子線照射システムにおいて、粒子線を一方向に標的の最大幅まで移動可能とする最大偏向量を有する第一偏向装置と、粒子線を上記一方向に偏向する最大偏向量が第一偏向装置の最大偏向量よりも少ない第二偏向装置と、第一偏向装置と第二偏向装置を制御する走査制御装置とを備え、この走査制御装置は、第二偏向装置の偏向量を増加させて粒子線を移動させる制御を行い、粒子線の停留時には、第二偏向装置の偏向量を減少させるとともに、第一偏向装置の偏向量を変化させて、標的における粒子線の位置が停留するように、第二偏向装置の偏向を第一偏向装置の偏向に置換してゆく偏向置換制御を行うようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の粒子線照射システムにあっては、必要な照射野サイズが大きい場合でも、大容量の走査電源を用いることなく、高速に粒子線を走査でき、全体の照射時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の粒子線照射システムが適用される粒子線治療装置全体の概要を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１によるＸ方向第一偏向装置およびＸ方向第二偏向装置の動作シーケンスと、対応する粒子線の位置の時間変化の関係を示す概略図である。
【図４】本発明のスポットスキャン照射のスポット位置の一例を示す配置図である。
【図５】本発明の実施の形態２による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態３による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態４による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態５による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態６による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態７による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。また、図２は本発明の粒子線照射システムが適用される粒子線治療装置のシステム全体の概要を示すブロック図である。図２において、６は粒子線の発生と加速を行う粒子線加速器、７は粒子線を輸送する粒子線輸送装置である。１００は、粒子線輸送装置７から入力される粒子線１を走査して、標的５に走査された粒子線４として照射させる粒子線照射システムである。粒子線照射システム１００が本発明の対象部分である。２は粒子線進行方向と垂直な方向の一方向であるＸ方向において、粒子線を走査し、Ｘ方向位置をステップごとに変化させるＸ方向走査装置である。同様に、３は粒子線進行方向およびＸ方向両方に垂直な方向であるＹ方向においてビーム位置を走査するＹ方向走査装置である。８は走査制御装置、９は治療計画装置である。治療計画装置９は走査制御装置８が必要とする走査制御のためのデータを演算により求めて走査制御装置８へデータを送る。
【００１０】
また、図２において、５は粒子線４の照射を受ける被照射体である標的を模式的な斜視図で示している。粒子線輸送装置７は、例えば、電磁石群から構成される。粒子線加速器６は、例えば、シンクロトロン加速器や、サイクロトロン加速器または他のDWA(Dielectric Wall Accelerator)、レーザ加速器などである。
【００１１】
図１は本発明の主要部の構成を説明するブロック図であり、図２のＸ方向走査装置２および走査制御装置８の概要を示す図である。図１において、Ｘ方向走査装置２は以下のように構成されている。２１はＸ方向に粒子線を偏向するＸ方向第一偏向装置で、Ｘ方向第一偏向電磁石２４とこのＸ方向第一偏向電磁石２４を駆動する、すなわちＸ方向第一偏向電磁石２４の励磁コイルに電流を供給するためのＸ方向第一電源２３を備えている。２２は粒子線をＸ方向第一偏向装置２１と同じＸ方向に偏向するＸ方向第二偏向装置で、Ｘ方向第二偏向電磁石２６とこのＸ方向第二偏向電磁石２６を駆動するＸ方向第二電源２５とを備えている。Ｘ方向第一偏向装置２１およびＸ方向第二偏向装置２２により粒子線を偏向させて標的５上での粒子線の位置を移動させながら患部に粒子線を照射するが、一方向に、ある距離移動（ステップと呼ぶ）させた後移動を止め、すなわち粒子線を停留させて粒子線を照射する。停留する位置をスポット位置と呼び、この照射方式をスポットスキャン照射と呼ぶ。図１においてｘ１、ｘ２、・・・、ｘ７は、スポットスキャン照射において標的５における粒子線４のＸ方向スポット位置を示す。
【００１２】
このようなスポットスキャン照射を実現するため、走査制御装置８は以下のように構成されている。８１は治療計画装置９からのデータを受けて粒子線を走査するために必要な演算を行う走査制御演算部、８２は粒子線の位置を移動させるためにＸ方向第一偏向装置２１およびＸ方向第二偏向装置２２が必要とする情報の演算を行うビーム位置移動制御演算部、８３は粒子線を停留させるためにＸ方向第一偏向装置２１およびＸ方向第二偏向装置２２が必要とする情報の演算を行うビーム位置停留制御演算部、８４はビーム位置移動制御演算部８２およびビーム位置停留制御演算部８３からのデータを受けてＸ方向第一偏向装置２１を制御するための信号を出力するＸ方向第一偏向装置制御部、８５はビーム位置移動制御演算部８２およびビーム位置停留制御演算部８３からのデータを受けてＸ方向第二偏向装置２２を制御するための信号を出力するＸ方向第二偏向装置制御部である。
【００１３】
Ｘ方向第二偏向装置２２は、スポットスキャン照射において、各スポットの隣り合うＸ位置間で粒子線４の位置を移動させるために入射される粒子線１を偏向させるものである。したがって、Ｘ方向第二偏向装置２２で標的５において粒子線を移動できる最大範囲をΔX1とし、標的のＸ方向における最大幅をXFとした場合、ΔX1はXFに比べ小さい。ステップの数にもよるが、例えば、ΔX1はXFの０．１〜０．５倍である。一方、Ｘ方向第一偏向装置２１は粒子線１を偏向させ、標的５における粒子線４の位置Ｘを少なくとも標的５の幅であるXFの範囲で走査できなければならない。つまり、Ｘ方向第二偏向装置２２に要求される最大偏向量（粒子線を移動できる最大移動範囲）はＸ方向第一偏向装置２１に要求される最大偏向量に比べ、ずっと小さい。そのため、Ｘ方向第一偏向装置２１のＸ方向第一偏向電磁石２４は大きい電磁石で構成する必要があるが、Ｘ方向第二偏向装置２２のＸ方向第二偏向電磁石２６は小さい電磁石で構成することができる。一般に、偏向能力を大きくするには、電磁石の鉄心長、コイル巻き数、励磁電流などを増やす必要がある。従って、Ｘ方向第一偏向装置２１の電磁石２４のインダクタンスＬ１は大きいインダクタンスを有する。
【００１４】
一方、Ｘ方向第二偏向装置２２は相対的に小さい電磁石で構成できるので、Ｘ方向第二偏向電磁石２６のインダクタンスＬ２はＸ方向第一偏向電磁石２４のインダクタンスＬ１より小さくできる。ここで、Ｘ方向第一偏向電磁石２４とＸ方向第二偏向電磁石２６を同じ鉄心構成の電磁石で構成するとし、Ｘ方向第一偏向電磁石２４のコイルとＸ方向第二偏向電磁石２６のコイルの巻き数をそれぞれN1、N2とする。粒子線４の照射位置ＸをΔXだけ動かそうとした際、対応するＸ方向第一偏向電磁石２４の励磁電流変化量をΔIX1とし、対応するＸ方向第二偏向電磁石２６の励磁電流の変化量をΔIX2とした場合、ΔIX1とΔIX2の関係は、
ΔIX2＝N1/N2×ΔIX1
となる。そして、位置変化ΔXを同じ時間Δt1で実現しょうとする場合、Ｘ方向第一電源２３に要求される電圧は、
V1＝L1×ΔIX1/Δt1
となり、Ｘ方向第二電源２５に要求される電圧は、
V2＝L2×ΔIX2/Δt1
となる。電磁石のインダクタンスLは巻き数の自乗に比例するので、
V2/V1 = L2/L1 * ΔIX2/ΔIX1 = (N2/N1)*(N2/N1)*N1/N2＝N2/N1
となる。鉄心が同じ場合、Ｘ方向第二偏向電磁石２６のコイルに要する巻き数N2はずっと小さくてよいので、粒子線を同じ時間Δt1で同じ位置変化量ΔX移動させるのに、Ｘ方向第二偏向装置２２を用いる場合、Ｘ方向第一偏向装置２１を用いる場合に比べ、電源の電圧はずっと小さい電圧で良いことになる。逆に、Ｘ方向第一電源２３とＸ方向第二電源２５を同じ電圧とした場合、Ｘ方向第二偏向装置２２によって粒子線を偏向させて移動させる方が、Ｘ方向第一偏向装置２１によるよりも移動速度を速くできる。すなわち、短時間で走査できることになる。
【００１５】
また、例えば、必要最大照射範囲XFが40cmの場合、Ｘ方向第一偏向電磁石２４は積層鋼板を用いた電磁石で構成する必要があるが、Ｘ方向第二偏向電磁石２６は偏向量が小さくてよいので、必要磁場が弱く、空芯コイルで構成できる可能性があり、Ｘ方向第二偏向電磁石２６の構成が簡単になる。この場合も、勿論Ｘ方向第二偏向電磁石２６のインダクタンスはＸ方向第一偏向電磁石２４のインダクタンスよりずっと小さくなる。
【００１６】
図３は本発明の実施の形態１によるＸ方向第一偏向装置２１およびＸ方向第二偏向装置２２の動作シーケンスと、対応する粒子線４の位置の時間変化の関係を示す概略図である。図３において、横軸は時間ｔであり、IX1(t)はＸ方向第一偏向電磁石２４の電流、IX2(t)はＸ方向第二偏向電磁石２６の電流、X(t)は標的５における粒子線のＸ方向位置を示す。図３におけるｘ１、ｘ２、・・・、ｘ７は、図１におけるｘ１、ｘ２、・・・、ｘ７に対応しており、粒子線のＸ方向のスポット位置を示す。粒子線４は各スポット位置で停留している間、計画された粒子数が照射される。粒子数の管理は照射される粒子線の量をモニタできる線量モニタ（図示せず）によって行われる。また、ｔ１、ｔ２、・・・、ｔ１７はＸ方向第一偏向装置２１およびＸ方向第二偏向装置２２の偏向量（例えば磁石の励磁電流）と粒子線のＸ方向位置の変化タイミングを示す。
【００１７】
次に、本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの動作を説明する。まず、治療計画装置９にて、標的５に対する照射計画を立案する。具体的には、標的５の３次元体積領域を、粒子線４が形成するブラッグピークの位置を標的５の３次元形状に合わせて走査して、標的形状に合わせた線量領域を形成するために、標的５におけるスポット位置(Xi,Yi,Zi)および、各スポット位置(Xi,Yi,Zi)における照射線量（照射粒子数に比例）niを決める。同時に、これらのスポット位置群において、同じ粒子線エネルギーに対応するスポット位置の集合を１層または１スライス内にあるスライス内スポット位置とする。
【００１８】
図４に１スライス内スポット位置（○印で示す位置）の配置の様子を示す。このようなスポットの配置をスライス毎に決定し、各スライスにおいて各スポット位置での照射線量niを決めることにより、全Ｋslice個の層を照射して、すべてのスポット位置に対して計画した線量を照射する。実際の照射では、１スライスにおいては同一の粒子線エネルギーで照射し、別のスライスに対しては粒子線加速器６などで粒子線エネルギーを変更して照射を行う。つまり、層、すなわちスライス毎にスポットスキャン照射を行う。
粒子線エネルギー変更は、粒子線加速器で行っても良く、また、レンジシフタ、ESS（Energy Selection System）、など他のビームエネルギー変更手段を用いても良いのは言うまでもない。
【００１９】
本発明による粒子線照射システムの照射動作の一例を以下に述べる。まず、治療計画装置９で作成したｊ番目のスライスにおけるｉ番目のスポット位置の照射データ情報(Xi,Yi,ni,jslice,Ebj)等を含むデータが走査制御装置８に送られる。ここでEbjはｊ番目のスライスに対応した粒子線エネルギーである。そして、走査制御装置８において、照射位置情報(Xi,Yi)に対応するＸ方向走査装置２およびＹ方向走査装置３の設定パラメータ(Ix1_i,Iy1_i)に換算される。ここで、Ix1_iは図１に示したＸ方向走査装置２のＸ方向第一偏向電磁石２４の駆動電源であるＸ方向第一電源２３からＸ方向第一偏向電磁石２４に供給される励磁電流を示す。図１ではＸ方向走査装置２の構成のみを示したが、Ｙ方向走査装置３もＸ方向走査装置２と同様、Ｙ方向第一偏向装置とＹ方向第二偏向装置を備えており、Iy1_iはＹ方向走査装置３のＹ方向第一偏向装置の相応パラメータに対応する。更に、i番目のスポットからi+1番目のスポットにスポット位置を変更する際に、Ｘ方向の移動量はΔXi= (Xi+1 − Xi)となるが、Ｘ方向第一偏向装置２１の設定パラメータの変化量はΔIx1_i = ( Ix1_i+1 − Ix1_i )となる。ここで、Ｘ方向第一偏向装置２１の代わりに、Ｘ方向第二偏向装置２２を用いて同じ移動量ΔXiを実現するためにＸ方向第二電源２５による必要な電流変化量ΔIx2_iを走査制御演算部８１などで予め計算しておいて、照射設定パラメータ(Ix1_i)と共に、走査制御演算部８１に格納する。同様に、Ｙ方向についても、同じようにΔIy2_iを格納する。
【００２０】
同時に、線量校正結果を反映したパラメータに基づき、各スポット位置に照射する線量niに対応する線量モニタ（図示せず；通常、粒子線照射システムに備える）の計数値であるモニタの単位MUiに換算される。このようにして、走査制御演算部８１では、照射を実施するのに必要なデータが用意される。このデータの内容には、照射するスライスごとの、スライス内スポット位置に対応した励磁電流パラメータ(Ix1_i,ΔIx2_i,Iy1_i,ΔIy2_i)、照射量MUi、スライス内の照射順、スライスに対応した粒子線エネルギーEbj, j=1,2,3..Ｋsliceなどが含まれる。
【００２１】
以下の説明では、図１に示したように、Ｘ方向に粒子線を走査する場合について行う。Ｙ方向における走査、およびＸとＹ両方の位置を同時に走査する場合についても、Ｘ方向走査と同様である。
【００２２】
図１〜図３を参照してｊ番目スライスの照射について説明する。まず、走査制御装置８から、スライス番号ｊを粒子線加速器６、粒子線輸送装置７など関連機器に送り、粒子線のエネルギーがスライス番号ｊに対応したエネルギーになるよう各関連機器が設定される。次に、走査制御演算部８１はスライス内最初のスポット位置X1に対応した励磁電流パラメータ(Ix1_i,ΔIx2_i),i=1をビーム位置移動制御演算部８２とビーム位置停留制御演算部８３に渡し、Ｘ方向第一偏向装置制御部８４がＸ方向第一電源２３に対し指令を出し励磁電流Ix1_1を設定させる。そして、走査制御演算部８１へ設定完了信号を返す。設定完了信号を受け取った走査制御演算部８１は粒子線照射開始指令を出す。これを受けて、粒子線加速器６などは粒子線を出射させ、粒子線輸送装置７を経て（粒子線輸送装置７は必ずしも必要ではない。）、粒子線１を粒子線照射システム１００のＸ方向走査装置２に入射させる。粒子線１はＸ方向第二偏向装置２２とＸ方向第一偏向装置２１を通過し、粒子線照射量を計測する線量モニタ等（図示せず）を通過し、粒子線４として、照射位置X1に照射される。時間が経過するに連れて、線量モニタはX1位置に対する照射量MU_i, i=1を計上し、スポット線量が計画値に達する、すなわち満了すると線量満了の情報とビーム移動指令を走査制御装置８に出す（時刻t1）。同時に、線量モニタがカウンタリセットを行う。
【００２３】
これを受けて、走査制御演算部８１はビーム位置移動制御演算部８２に２番目のスポット位置X2に粒子線４を移動させる指令を出す。これを受けて、Ｘ方向第二偏向装置制御部８５はＸ方向第二電源２５に対しＸ方向第二偏向電磁石２６の励磁電流を現在値からΔIx2_i, i=1だけ変化させる指令を出す。図３の場合、現在値は０であるから、Ｘ方向第二偏向電磁石２６の励磁電流を０からIx2_1へ変化させる。そして、粒子線１は既にIx1_1に励磁されているＸ方向第一偏向電磁石２４の偏向を受けるのに加えて、Ｘ方向第二偏向電磁石２６の偏向も受けて、スポット位置がX1からX2へ時間Δta2で高速に移動する。そして、ビーム位置移動制御演算部８２はＸ方向第二電源２５から電流変化完了指令を受け取る（時刻t2）。これを受けて、粒子線４は位置X2に照射され、線量モニタは計数を再開する。線量モニタがX2位置に対応した計画線量MUi,i=2を計上するまでには、Δtbi,i=2の時間が掛かる。この時間Δtb2までの間において、Ｘ方向第一偏向電磁石２４の励磁電流を所定速度で変化させるとともに、Ｘ方向第二偏向電磁石２６の励磁電流を所定速度で減少させて粒子線のＸ位置が変化しないように制御する。この制御に必要な演算はビーム位置停留制御演算部８３で行われ、Ｘ方向第一偏向装置制御部８４およびＸ方向第二偏向装置制御部８５がそれぞれの電源に指令を出す。
【００２４】
このように、Ｘ方向第二偏向電磁石２６によって偏向していた偏向分をＸ方向第一偏向電磁石２４の偏向に徐々に置換してゆく制御、すなわち偏向置換制御を行って粒子線を停留させることができる。この偏向置換制御をＸ方向第一偏向電磁石２４の励磁電流がIx1_1からIx1_2になるまで続ける。更に、偏向置換制御動作の最中は、粒子線４の照射位置はX2に対してのずれが、予め設けた誤差値を越えないようにＸ方向第二電源２５から供給される励磁電流とＸ方向第一電源２３から供給される励磁電流の制御が行われるように、ビーム位置停留制御演算部８３が演算を行う。
【００２５】
なお、偏向置換制御において、Ｘ方向第一偏向電磁石２４による偏向量（励磁電流の絶対値）は、図３のt7〜t8やt9〜t10におけるように増加させることもあり、t2〜t3、t5〜t6やt15〜t16におけるように減少させることもある。要するに、偏向置換制御において、Ｘ方向第一偏向電磁石２４による偏向量は、増加あるいは減少させる、すなわち変化させるのである。一方、Ｘ方向第二偏向電磁石２６では、偏向置換制御において、図３のt2〜t3、t5〜t6、t7〜t8、t9〜t10やt15〜t16におけるように、偏向量（励磁電流の絶対値）は常に減少させることになる。
【００２６】
例えば、予め、Ｘ方向位置ごとに同じ位置変化をもたらすためにＸ方向第一偏向電磁石２４とＸ方向第二偏向電磁石２６に要する励磁電流変化量を計算または測定し、ビーム位置停留制御演算部８３のパラメータとして用いることができる。そして、Δtc2の時間が経つと（時刻t3）、Ｘ方向第一偏向電磁石２４の励磁電流が現在の照射位置X2に対応した値Ix1_2になる。ここで、Δtc2＜Δtb2である。そして、線量モニタが照射位置X2に対応した照射量MUi,i=2を計上し、線量満了の情報とスポット位置移動指令を走査制御演算部８１に出す（時刻t4）。粒子線照射システムでは、誤差線量と照射時間を短縮するために、スポット位置をなるべく高速に移動させる必要があるので、Ｘ方向における実効走査速度は例えば10cm/msecなどの高速にする。標的に与える線量によるが、上記述べた各種時間の目安として、例えば、照射時間Δtbは1msecから20ms、移動量5mmでは、移動時間Δｔaは40μsである。つまり、１スポット位置における照射時間Δtbは移動時間Δtaに比べ約２５倍以上長い。よって、Ｘ方向第一電源２３における電流変化は、走査速度よりずっと遅くすることが可能となる。
【００２７】
以上を、ｊ番目のスライス内にあるすべての走査位置スポットに対して、繰返し行う。そして、スライス内のすべてのスポット位置に対して照射が完了すると、走査制御装置８は粒子線加速器６などに対して粒子線１の停止を命じる。そして、走査制御装置８はｊ+１番目のスライスに対して、ｊ番目のスライスの照射方法と同様にして照射する。このようにして、全Ｋsliceを照射し終わるまで、上記動作を繰り返す。
【００２８】
このように、予め治療計画装置９で決めた標的５の所定照射位置に粒子線を照射することができ、腫瘍などの３次元標的形状に合わせた線量分布を形成できるのである。
尚、上記ではＸ方向走査装置２およびＹ方向走査装置３共に２つの偏向装置で構成した場合を説明したが、Ｙ方向走査装置３は一つの偏向装置のみを備え、Ｙ方向は置換制御を行わない走査を行う構成であっても良い。
【００２９】
ここで、Ｘ方向第一偏向装置のみで高速偏向を実現する場合と、Ｘ方向第二偏向装置で高速偏向を行い、偏向置換制御を行う本発明の場合とで必要な電源容量を比較する。今、Ｘ方向第一偏向電磁石とＸ方向第二偏向電磁石の巻き数比N1/N2を１０とすると、同じ変化時間Δt1で同じ偏向量を変化させるためには、Ｘ方向第一電源に必要な電圧V1とＸ方向第二電源に必要な電圧V2の関係は、前述のように、
V1= N1/N2 * V2=10 * V2
である。Ｘ方向第一偏向電磁石とＸ方向第二偏向電磁石で、同一の偏向変化量を得るには、磁束の変化量、すなわち巻き数に電流変化量を乗じたものが同じになれば良いので、
ΔIX2=10 *ΔIX1
である。
【００３０】
ΔIX1が10ＡでV1が100Ｖとすると、V2は10ＶでΔIX2は100Ａとなる。Ｘ方向第一偏向装置はすでに電流が流れている状態から電流を増加させる必要がある。例えば、上記したXFがΔX1の１０倍程度とすれば、最大に偏向されている付近では、例えばＸ方向第一偏向電磁石の励磁電流はすでに100A程度流れている。従って、最大に偏向されている付近で電流を10A増加するには、例えば90Ａから100Ａに増加させる必要がある。一方、Ｘ方向第二偏向電磁石の励磁電流は変化させる当初は電流が流れていない、すなわち0Ａから10Ａに増加させれば良い。時間Δt1で偏向量を変化させようとした場合、Ｘ方向第一偏向装置のみで変化させるためには、Ｘ方向第一電源は100Ｖ*100Ａ=10ＫＶＡの電源が必要となる。一方、Ｘ方向第二偏向装置を用いる場合、Ｘ方向第二電源は10Ｖ*100Ａ=1ＫＶＡの電源で良い。Ｘ方向第二偏向装置を用いる場合でもＸ方向第一偏向装置が必要であるが、最大でも時間Δt1の例えば１０倍程度の時間で偏向量を変化させれば良いので、Ｘ方向第一電源に必要な電圧は上記の１０分の１、すなわち10Ｖで良く、Ｘ方向第一電源としては10Ｖ*100Ａ=1ＫＶＡの電源で良い。よってＸ方向第二偏向装置を用いて高速偏向を実現する場合、Ｘ方向第一電源として1ＫＶＡ、Ｘ方向第二電源として1ＫＶＡ、合計２ＫＶＡの電源容量で良い。このように、Ｘ方向第一偏向装置のみで高速な偏向量変化を実現しようとすれば、Ｘ方向第二偏向装置を併用する場合の５倍の容量の電源が必要となる。
【００３１】
以上説明したように、大照射野（Ｘ、Ｙ方向における走査最大幅が大きい）の場合でも、偏向量が小さいが、高速動作可能な第二偏向装置と、走査速度は遅いが大偏向が可能な第一偏向装置の二つの偏向装置を設けることによって、偏向電磁石の電源の電圧が低くても、スポット位置の高速移動を可能とし、小容量の走査電源で全照射時間の短縮を実現できる効果がある。大きい腫瘍を対象とした大照射対応の粒子線治療装置では、高速走査と大照射野の照射を小容量の電源でできる効果が特に大きい。尚、第一偏向装置の走査速度を遅くできることは、交流電磁石に発生する渦電流による発熱および磁場遅れを低減できるという効果もある。その結果、粒子線照射システムの信頼性向上、小型化や照射精度向上が可能となる。
【００３２】
図３には、スポット位置X1からX7までのＸ方向第一偏向電磁石２４の励磁電流IX1（ｔ）とＸ方向第二偏向電磁石２６の励磁電流IX2(ｔ)および、対応するスポット位置X(t)の時間変化の様子を示している。スポット位置X2、X3では偏向置換制御において、Ｘ方向第二偏向電磁石２６の励磁電流IX2をゼロに戻せたケースを示している。X4ではIx2が０に戻る前にスポット位置移動指令を受け取ったため、Ix2が０ではない状態から再びIx2を所定値Ix2_4まで増加させて、次のX5の照射の間にIx2が０に戻っている。このように、一回の偏向置換制御でIx2を０に戻せなくてもよく、２回、３回など複数回後に０に戻せればよい。ただし、IX2がＸ方向第二電源２５の定格電流値を越えないようにする必要がある。
【００３３】
また、スポット位置X5からX6へのビーム位置の移動は時間がかかっても良いため、偏向置換制御を行わずに、Ｘ方向第一偏向装置２１のみでビーム位置の移動を行っている。このように、実際のスキャニング照射では、照射を開始するまでに、加速器のビーム電流の平均値と時間変動を考慮して各スポット位置の照射に必要な最大時間を計算し、その結果、照射時間が所定値より短い場合は、そのスポットにおける偏向置換制御をスキップできる。すなわち、Ｘ方向第一電源２３に要求する電流変化速度が所定値以下であれば、次のスポット位置までＸ方向第一偏向電磁石２４の偏向量の変化のみで粒子線を移動させることができる場合もある。このような場合、偏向置換制御を実施することなく、Ｘ方向第一偏向装置２１のみでビーム位置移動を行うことができる。その場合、高速偏向装置であるＸ方向第二偏向電磁石２６の励磁電流はゼロに戻っていないこともあるが、Ｘ方向第二偏向電磁石２６の最大励磁可能値と現在残った励磁電流量の差が次の照射位置に移動するために必要なΔIx2_iに比べ大きければ問題がない。つまり、Ｘ方向第二電源２５の最大励磁電流定格値は数スポット分の移動に十分な値を確保できるように設計しておけばよい。このように粒子線照射システムを構成した場合、同じスライス内における各照射位置に対する計画照射線量が大きい範囲でばらついている場合でも、照射中に実施する偏向置換制御を確実にでき、信頼性の高い粒子線照射システムを提供できる効果がある。
【００３４】
なお、時刻t1からt2や、t3からt4などにおいて、図３ではＸ方向第一偏向電磁石の励磁電流IX1は変化させていないが、この間もIX1を変化させても良い。その場合は、Ｘ方向第二偏向電磁石の励磁電流IX2の変化量は図３で説明したよりも少なくなる。あるいは、Ｘ方向第二偏向電磁石の励磁電流IX2の変化量を図３で説明したのと同じにすると、より高速でビーム位置の移動を行うことができる。
【００３５】
また、図３の時刻t8における動作のように、偏向置換制御の最中に、線量モニタが線量満了を計上し、照射位置移動指令がビーム位置移動制御演算部８２から発生された場合、ビーム位置停留制御演算部８３は直ちに偏向置換制御指令を中断し、ビーム位置移動制御演算部８２によって、照射位置の移動制御を開始しても良い。その場合、高速偏向装置であるＸ方向第二偏向装置２２の励磁電流はゼロに戻っていないが、Ｘ方向第二電源２５の最大励磁可能値と現在残った励磁電流量の差が次の照射位置に移動するために必要なΔIx2_iに比べ大きければ問題がない。つまり、Ｘ方向第二電源２５の最大励磁電流定格値は数スポット分の移動に十分な値を確保できるように設計しておけばよいのである。このように粒子線照射システムを構成した場合、粒子線１のビーム電流の時間変動が大きい場合でも、精度よく粒子線を標的に照射することが可能であり、信頼性の高い粒子線照射システムを提供できる効果がある。
【００３６】
図１では、Ｘ方向第二偏向電磁石２６とＸ方向第一偏向電磁石２４を粒子線１の進行方向順に沿って、順番に配置するようにしたが、配置順を逆としても、本発明の効果は同じである。また、Ｘ方向第一偏向電磁石２４とＸ方向第二偏向電磁石２６の間はお互いの磁場が影響し合わないように、十分離して配置した方が、Ｘ方向第二電源２５から見たインダクタンスを小さくできるだけでなく、Ｘ方向第二偏向電磁石２６の高速変化磁場がＸ方向第一偏向装置２１の導電性構成物に渦電流をもたらすことを低減できる効果がある。
【００３７】
尚、Ｘ方向第二偏向電磁石２６は、鉄心（Ferriteコア、積層鋼板など）付の電磁石から構成されてもよいが、鉄心を持たない空芯コイルで構成した場合でも、本発明による効果を奏する。また、Ｘ方向第二偏向装置は電磁石を用いた磁界による偏向ではなく、電界を発生させる偏向電極を用いた、電界による偏向を利用した構成にしても良い。
【００３８】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図５において、１２はビーム位置モニタを示す。本実施の形態２の構成と動作は、ビーム位置モニタ１２の位置情報を走査制御装置８にフィードバックし、粒子線４の照射位置がずれないようにした以外は、前述した実施の形態１と同じである。
【００３９】
図５では、ビーム位置停留制御演算部８３は、偏向置換制御を行う際、Ｘ方向第二電源２５が供給する励磁電流とＸ方向第一電源２３が供給する励磁電流を同時にまたは、交互に制御し、偏向を置換するようにするが、その際、Ｘ方向第二偏向電磁石２６およびＸ方向第一偏向電磁石２４の両方の偏向を受けた粒子線４の位置をモニタしているビーム位置モニタ１２による位置情報をビーム位置停留制御演算部８３に入力し、ビーム位置停留制御演算部８３は偏向置換制御において、Ｘ方向第二偏向装置２２およびＸ方向第一偏向装置２１の両方または一方を、ビーム位置モニタ１２による位置情報によってフィードバック制御するように指令を出し、粒子線４の照射位置が計画値からずれないようにする。
【００４０】
特に、高速動作可能なＸ方向第二偏向装置２２を、ビーム位置モニタ１２からの位置情報を用いて、フィードバック制御するようにすれば、照射中に粒子線を照射位置に精度よく維持することが可能であり、粒子線をより高精度に照射できる。このように、ビーム位置モニタ１２からの位置情報を用いたフィードバック制御を第一偏向装置ではなく、より高速動作可能な第二偏向装置に対して行えば、時間変動の速い位置誤差に対しても、高精度なフィーバック制御が可能である。よって、標的領域により高い精度で計画した線量分布を形成できる。
【００４１】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態３による粒子線照射システムの構成と動作を、図６を用いて説明する。図６において、図１と同じ符号は同じまたは相当する部分、部品を示す。２４は粒子線進行の主方向を偏向して標的に誘導するための偏向電磁石（例えば、複数ある各治療室へ粒子線を誘導する偏向電磁石、または粒子線を患者に向けて誘導するBending-Magnetなど）であり、同時に、Ｘ方向第一偏向電磁石でもある。２６はＸ方向第二偏向電磁石である。３４はＹ方向第一偏向電磁石、３６はＹ方向第二偏向電磁石である。なお、図６には、走査制御装置を図示していないが、本実施の形態３においても実施の形態１や実施の形態２で説明した走査制御装置を備えている。
【００４２】
本実施の形態３の構成と動作は以下の説明を除いて、基本的に前述した実施の形態１と同じである。図６では、偏向電磁石２４はＸ方向第一偏向電磁石も兼ねる。実施の形態１に比べ、Ｘ方向第一偏向電磁石２４は粒子線を大きい偏向角度で偏向できる大きい電磁石である。そのため、Ｘ方向第一偏向電磁石２４だけを用いて、高速に粒子線４のＸ方向位置を変更することは困難である。そこで、Ｘ方向第二偏向電磁石２６とＸ方向第一偏向電磁石２４の両方を用いて、実施の形態１で説明したのと同じようにビーム位置の高速移動はＸ方向第二偏向電磁石２６を利用し、粒子線４の位置が所定位置において粒子線が照射されている間に、Ｘ方向第二偏向電磁石２６の偏向量を除々に減らし、Ｘ方向第一偏向電磁石２４の偏向量を徐々に変化させて、照射中は粒子線４の照射位置がほぼ変わらないように、偏向置換制御を行う。Ｙ方向に関しては、Ｘ方向と同様に、Ｙ方向第二偏向電磁石３６は粒子線４がＹ方向におけるスポット位置の高速移動を担い、所定のＹ位置において、粒子線を照射している際は、Ｙ方向第二偏向電磁石３６の偏向量を除々に減らし、Ｙ方向第一偏向電磁石３４の偏向量を徐々に変化させて、照射中は粒子線４のＹ位置がほぼ変わらないように、偏向置換制御を行う。このようにして、標的５に対して、高速に粒子線を走査して照射できる。
【００４３】
本実施の形態３では、粒子線を各治療室へ運ぶ偏向電磁石をＸ方向第一偏向電磁石２４として用いたため、粒子線照射システムに必要な電磁石数を大きく増加させずに本発明を実現できる。なお、Ｘ方向第一偏向電磁石２４を兼ねる偏向電磁石と標的５の間にはＸ方向走査装置を設ける必要がなく、照射ノズルの小型化（長さを小さくする）ができる。そのため、粒子線照射システムの小型化をはかれる効果がある。尚、本実施の形態３において図４に示すＸ方向とＹ方向を入れ替えた走査順で照射する場合、平均的には粒子線４の位置がＸ方向に一定である時間がより長くなるため、Ｘ方向における偏向置換制御にはより長い時間を費やすことができる。このため、Ｘ方向第一偏向電磁石２４が大きい電磁石（一般的に、インダクタンスも大きい）である場合でも、Ｘ方向第一偏向電磁石２４の電源の必要最大電圧は小さくて済むので、小さい電源容量の電源で本発明を実現できる。
【００４４】
尚、Ｘ方向第一偏向電磁石２４が偏向磁石である場合、磁極端部形状に所定角度を持たせて構成すれば、Ｘ方向第二偏向電磁石２６とＸ方向第一偏向電磁石２４によって走査された粒子線４はいつも被照射体である標的５に対して垂直に照射されるようにできる。
【００４５】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図７において、図１および図６と同じ符号は同じまたは相当する部分、部品を示す。本実施の形態４による構成が実施の形態３、すなわち図６の構成と異なるところは、Ｙ方向第二偏向電磁石３６が、Ｘ方向第一偏向電磁石を兼ねる、粒子線進行の主方向を偏向して標的に誘導するための偏向磁石２４より上流に設置されていることである。なお、図７には、走査制御装置を図示していないが、本実施の形態４においても実施の形態１や実施の形態２で説明した走査制御装置を備えている。
【００４６】
図７で示すように、Ｙ方向第二偏向電磁石３６をＸ方向第一偏向磁石２４の上流に設置したため、Ｘ方向第一偏向電磁石２４と標的５の間の距離を伸ばす必要がない。そのため、照射ノズルの長さを実施の形態３である図６の構成よりも短くできる。その結果、粒子線照射システムの小型化が図れる効果がある。また、Ｙ方向第二偏向電磁石３６の設置位置を標的５から離すことができる。位置変化量は偏向角と偏向磁石と照射位置間の距離に比例するから、本実施の形態４によれば、所定Ｙ方向位置変化ΔYiをもたらすＹ方向第二偏向電磁石３６の電源に必要な電流変化量が小さくて済む。そのため、Ｙ方向第二偏向電磁石３６の電源の小型化が図れる効果がある。
【００４７】
実施の形態５．
図８は本発明の実施の形態５による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図８において、図１および図７と同じ符号は同じまたは相当する部分、部品を示す。本実施の形態５による粒子線照射システムの構成が実施の形態４、すなわち図７の構成と異なるところは、粒子線照射システムが回転ガントリーとして構成されていることである。４２は第二の回転ガントリー偏向電磁石で、粒子線１を所定偏向平面において、入射する粒子線の進行方向から一旦曲げて、第一の回転ガントリー偏向電磁石４３に入射させ、第一の回転ガントリー偏向電磁石４３は同じ偏向平面内おいて第二の回転ガントリー偏向電磁石４２に入射する粒子線の進行方向と平行な方向に曲げる。その後、粒子線は、Ｙ方向第二偏向電磁石３６とＸ方向第二偏向電磁石２６に入射され、回転ガントリーの最後の偏向電磁石２４によって患者に向けて粒子線４を照射する。尚、偏向電磁石２４はＸ方向第一偏向電磁石も兼ねる。３４はＹ方向第一偏向電磁石を示す。そして、図８で示したすべての構成要素がガントリー回転軸４１（ほぼ水平方向にある）の周りを回転できる同じ構造体に取り付けられている。この構造体と図８に示す構成要素を含む粒子線照射システムが回転ガントリーと称される。
【００４８】
本実施の形態５では、粒子線１を標的に向けて走査して３次元照射を行うためのＹ方向とＸ方向の偏向電磁石はこの回転ガントリーの中に納まっている。本実施の形態５では、回転ガントリーの最後の偏向電磁石２４がＸ方向における粒子線の走査装置の構成要素であるＸ方向第一偏向電磁石を兼ねる。また、回転ガントリーの最後の偏向電磁石２４の下流側にはＹ方向第一偏向装置の電磁石３４を設けた。高速走査を行うために必要なＸ方向第二偏向電磁石２６とＹ方向第二偏向電磁石３６は回転ガントリーの最後の偏向電磁石２４より上流側、すなわち粒子線の入射側に設置した。
【００４９】
本実施の形態５による粒子線照射システムを用いて、粒子線１を標的５に向けてスポットスキャン照射を行う際、まず、治療計画に従って決まった照射角度に合わせて、回転ガントリーの回転角度を設定し、回転ガントリー角度と治療台（図示せず）の位置と角度を設定する。そして、実施の形態１で述べたように、標的５をスライスごとに照射する。その過程において、Ｘ方向の第一、第二偏向装置、Ｙ方向の第一、第二偏向装置、および走査制御装置の動作などは実施の形態１と基本的に同じである。
【００５０】
本実施の形態５では、回転ガントリーの最後の偏向電磁石２４をＸ方向第一偏向電磁石として用いること、およびＸ方向とＹ方向の第二偏向電磁石を回転ガントリーの最後の偏向電磁石２４より上流側に設置したことにより、回転ガントリーの照射ノズルを伸ばす必要はない。よって、前述した実施の形態の効果に加えて、図８に示すように、回転ガントリーの回転半径（高さ）を増加させることなく本発明を実現できるため、粒子線照射システムの大型化が抑制できる効果がある。その結果、粒子線照射システムを搭載する粒子線治療装置の普及に貢献できる効果がある。
【００５１】
なお、本実施の形態５では、Ｘ方向第二偏向電磁石２６とＹ方向第二偏向電磁石３６を回転ガントリーの最後の偏向電磁石２４より上流側に配置した場合を説明したが、Ｘ方向第二偏向電磁石２６およびＹ方向第二偏向電磁石３６の片方または両方を回転ガントリーの最後の偏向電磁石２４より下流側に配置しても、本発明の高速スキャンできる効果を奏するのは言うまでもない。
【００５２】
実施の形態６．
図９は、本発明の実施の形態６による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図９において、図１と同一符号は同一または相当する部分、または部品を示す。本実施の形態６では、粒子線１をＸ方向に偏向する偏向電磁石はＸ方向偏向電磁石２４０一つのみ設けている。Ｘ方向偏向電磁石２４０の励磁コイルは一つのみであるが、この一つの励磁コイルをＸ方向第一電源２３０とＸ方向第二電源２５０の２つの電源により駆動するようにしている。また、Ｘ方向偏向電磁石２４０は実施の形態１や２におけるＸ方向第一偏向電磁石２４と同様、粒子線１を標的の最大幅まで偏向できる能力を有している。Ｘ方向第一電源２３０は大電流を出力することができるが、低電圧であり、Ｘ方向偏向電磁石２４０の励磁コイルのインダクタンスの値が大きいため電流を高速に変化させることができない電源、すなわち低電圧大電流電源である。また、Ｘ方向第二電源２５０は出力できる電流値は小さいが、高電圧が出力でき、Ｘ方向偏向電磁石２４０の励磁コイルのインダクタンスの値が大きくても電流を高速に変化できる高電圧小電流電源である。Ｘ方向偏向電磁石２４０の励磁コイルには、Ｘ方向第一電源２３０およびＸ方向第二電源２５０の両方の電源からの電流が重畳して流れるように構成されている。
【００５３】
本実施の形態６による粒子線照射システムでは、Ｘ方向第一電源２３０とＸ方向偏向電磁石２４０とで、実施の形態１や２で説明したＸ方向第一偏向装置２１に相当する動作を行い、Ｘ方向第二電源２５０とＸ方向偏向電磁石２４０とで、実施の形態１や２で説明したＸ方向第二偏向装置２２に相当する動作を行う。すなわち、図９に示すように、Ｘ方向第一電源２３０とＸ方向偏向電磁石２４０とでＸ方向第一偏向装置２１０を構成し、Ｘ方向第二電源２５０とＸ方向偏向電磁石２４０とでＸ方向第二偏向装置２２０を構成する。Ｘ方向偏向電磁石２４０は、Ｘ方向第一偏向装置２１０の偏向電磁石とＸ方向第二偏向装置２２０の偏向電磁石を兼ねることになる。スポットスキャン照射における隣り合うスポット位置間で粒子線１を移動させるときは、Ｘ方向第二電源２５０によりＸ方向偏向電磁石２４０の励磁コイルの励磁電流を高速に変化させて粒子線１の偏向を変化させる。その後、Ｘ方向第二電源２５０によるＸ方向偏向電磁石２４０の励磁電流をＸ方向第一電源２３０による励磁電流に徐々に置換し、Ｘ方向第一電源２３０とＸ方向第二電源２５０とで重畳されている励磁電流が一定となる制御を行って粒子線を停留させて、粒子線を標的に照射する。このように、実施の形態６においても、実施の形態１や２で説明したのと同様、粒子線の移動時にはＸ方向第二偏向装置２２０の偏向量を増加させて粒子線を移動させ、粒子線の停留時にはＸ方向第二偏向装置２２０により偏向していた偏向量を、Ｘ方向第一偏向装置２１０による偏向に置換する置換制御を行う構成となっている。
【００５４】
尚、上記ではＸ方向走査装置２のみを説明したが、Ｙ方向走査装置３も図９のＸ方向走査装置２と同様、一つの偏向電磁石と２つの電源で構成できることは言うまでもない。ただし、Ｙ方向走査装置３は一つの偏向装置のみを備え、Ｙ方向は置換制御を行わない走査を行う構成であっても良い。
【００５５】
以上のように、本実施の形態６では、粒子線を偏向する偏向電磁石を一つだけ設け、当該偏向電磁石の励磁コイルを２個の電源で駆動するようにして、スポットスキャン照射において実施の形態１や２で説明した置換制御を行うようにした。このため、大照射野（Ｘ、Ｙ方向における走査最大幅が大きい）の場合でも、一つの偏向電磁石を、高速動作可能な電源と、励磁電流の変化速度は遅いが大電流駆動が可能な電源との２つの電源により駆動することによって、スポット位置の高速移動を可能とし、全体として小容量の電源で全照射時間の短縮を実現できる効果がある。
【００５６】
実施の形態７．
図１０は、本発明の実施の形態７による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図１０において、図１と同一符号は同一または相当する部分、部品を示す。本実施の形態７では、Ｘ方向走査装置２において、粒子線１をＸ方向に偏向させる電磁石はＸ方向偏向電磁石２４１一つのみ設けている。ただし、Ｘ方向偏向電磁石２４１は、同一の鉄心に第一励磁コイル２４２および第二励磁コイル２４３の２つの励磁コイルが巻かれたものとなっている。ここで、第一励磁コイル２４２は第二励磁コイル２４３よりもコイルの巻数が多く、大きなインダクタンスを有し、第二励磁コイル２４３のインダクタンスは小さい。第一励磁コイル２４２はＸ方向第一電源２３１により駆動され、第二励磁コイル２４３はＸ方向第二電源２５１により駆動される。
【００５７】
第一励磁コイル２４２がＸ方向第一電源２３１により駆動されてＸ方向偏向電磁石２４１を励磁して粒子線１を偏向させて走査できる範囲は、実施の形態１や２におけるＸ方向第一偏向電磁石で偏向できる範囲と同様である。また、第二励磁コイル２４３がＸ方向第二電源２５１により駆動されてＸ方向偏向電磁石２４１を励磁して粒子線１を偏向させて走査できる範囲は、実施の形態１や２におけるＸ方向第二偏向電磁石で偏向できる範囲と同様である。すなわち、Ｘ方向第一電源２３１で駆動する第一励磁コイル２４２では粒子線１を大きく偏向できるが、高速には走査できない。Ｘ方向第二電源２５１で駆動する第二励磁コイル２４３では粒子線１を高速に走査できるが、大きく偏向できない。
【００５８】
本実施の形態７による粒子線照射システムでは、第一励磁コイル２４２とＸ方向第一電源２３１とで、実施の形態１や２で説明したＸ方向第一偏向装置２１に相当する動作を行い、第二励磁コイル２４３とＸ方向第二電源２５１とで、実施の形態１や２で説明したＸ方向第二偏向装置２２に相当する動作を行う。すなわち、図１０に示すように、第一励磁コイル２４２とＸ方向第一電源２３１とによりＸ方向第一偏向装置２１１を構成し、第二励磁コイル２４３とＸ方向第二電源２５１とによりＸ方向第二偏向装置２２１を構成する。スポットスキャン照射における隣り合うスポット位置間で粒子線１を移動させるときは、第二励磁コイル２４３をＸ方向第二電源２５１により駆動して粒子線１を偏向させる。その後、第二励磁コイル２４３による励磁によって偏向していた偏向分を第一励磁コイル２４２の励磁による偏向に徐々に置換してゆく制御、すなわち偏向置換制御を行って粒子線を停留させて、粒子線を標的に照射する。
【００５９】
尚、上記ではＸ方向走査装置２のみを説明したが、Ｙ方向走査装置３も図１０のＸ方向走査装置２と同様、２つの励磁コイルを有する偏向電磁石と２つの電源で構成できることは言うまでもない。ただし、Ｙ方向走査装置３は一つの偏向装置のみを備え、Ｙ方向は置換制御を行わない走査を行う構成であっても良い。
【００６０】
以上のように、本実施の形態７では、粒子線を偏向する偏向電磁石の鉄心に巻数の異なる２つの励磁コイルを設け、それぞれの励磁コイルを別の電源で駆動するようにして、スポットスキャン照射において実施の形態１や２で説明した置換制御を行うようにした。このため、大照射野（Ｘ、Ｙ方向における走査最大幅が大きい）の場合でも、一つの偏向電磁石に、偏向量が小さいが、高速動作可能な駆動電源で駆動するインダクタンスの小さな第二励磁コイルと、走査速度は遅いが大偏向が可能な第一励磁コイルを設けることによって、スポット位置の高速移動を可能とし、全体として小容量の電源で全照射時間の短縮を実現できる効果がある。
【符号の説明】
【００６１】
１：粒子線                          ２：Ｘ方向走査装置
３：Ｙ方向走査装置                  ４：走査された粒子線
５：標的                            ６：加速器
７：粒子線輸送装置                  ８：走査制御装置
９：治療計画装置                  １２：ビーム位置モニタ
２１、２１０、２１１：Ｘ方向第一偏向装置
２２、２２０、２２１：Ｘ方向第二偏向装置
２３、２３０、２３１：Ｘ方向第一電源
２４：Ｘ方向第一偏向電磁石          ２４０、２４１：Ｘ方向偏向電磁石
２４２：第一励磁コイル              ２４３：第二励磁コイル
２５、２５０、２５１：Ｘ方向第二電源
２６：Ｘ方向第二偏向電磁石          ３１：Ｙ方向第二偏向装置
３２：Ｙ方向第一偏向装置            ４１：回転ガントリー回転軸
４２：第二の回転ガントリー偏向電磁石
４３：第一の回転ガントリー偏向電磁石２    ８１：走査制御演算部
８２：ビーム位置移動制御演算部      ８３：ビーム位置停留制御演算部
８４：Ｘ方向第一偏向装置制御部      ８５：Ｘ方向第二偏向装置制御部
１００：粒子線照射システム
【図１】
2011058833.tif 000003
【図２】
2011058833.tif 000004
【図３】
2011058833.tif 000005
【図４】
2011058833.tif 000006
【図５】
2011058833.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011058833.tif 000009
【図８】
2011058833.tif 000010
【図９】
2011058833.tif 000011
【図１０】
2011058833.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月26日(2012.1.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
粒子線照射システムは回転ガントリーの構成を有し、第二偏向装置は、上記回転ガントリーの粒子線進行主方向の最も下流側に位置する偏向電磁石より上記粒子線の入射側に設置されたことを特徴とする請求項３に記載の粒子線照射システム。
【国際調査報告】
2011058833.tif 000013
2011058833.tif 000014